Chuong03 nhap mon dktm

Mơn học

NHẬP MƠN ĐIỀU KHIỂN THƠNG MINH
Giảng viên: PGS. TS. Huỳnh Thái Hồng
Bộ mơn Điều Khiển Tự Động
Khoa Điện – Điện Tử
Đại học Bách Khoa TP.HCM
Email:
Homepage: />
19 August 2014

© H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM

1


Chương 3

ĐIỀU
U KHIỂN MỜ
Ờ

19 August 2014

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

2


Nội dung chương 3
Giới thiệu

hiệ điề
điều khiể
khiển mờ
ờ
 Thiết kế bộ điều khiển mờ dựa vào kinh nghiệm
 Bộ điều
ề khiển
ể PID mờ
 Thiết kế bộ điều khiển mờ dùng lý thuyết Lyapunov
 Thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển mờ dùng
Matlab
 Thực thi bộ điều
ề khiển
ể mờ dùng vi điều
ề khiển
ể
 Thực thi bộ điều khiển mờ dùng PLC


19 August 2014

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

3


GIỚI THIỆU ĐIỀU KHIỂN MỜ

19 August 2014

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

4


Hệ thống điều khiển bởi người vận hành
Tín hiệu đặt

Đối tượng

Tín hiệu ra

điều khiển

 Thực

tế có những đối tượng ĐK rất phức tạp, có tính phi
tuyến cao khó ĐK bằng phương pháp thông thường do
không thể xác định được mô hình tốn của đối tượng.
 Con người với khả năng xử lý tinh xảo của bộ não sau
khi trải qua q trình đào tạo và tích lũy kinh nghiệm lại
có thể điều khiển được các đối tượng phức tạp mà
không cần biết gì về mơ tả tốn học của đối tượng.
tượng
19 August 2014

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

5

Điều khiển mờ

Tín hiệu đặt

Đối tượng
ợ g

Tín hiệu ra

điều khiển

Điều khiển mờ cung cấp phương pháp để biểu diễn, xử
lý và thực thi tri thức trực giác của con người.
 Kinh nghiệm chuyên gia được tích hợp vào bộ điều
khiển
ể mờ trong q trình thiết
ế kế
ế hệ thống.
ố


19 August 2014

© H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM

6


Cấu trúc bộ điều khiển mờ

Bộ điều khiển mờ cơ bản
Hệ qui tắc
Tiền

Mờ

xử lý

hóa

Phương pháp

Giải

Hậu
ậ

mờ

xử lý

suy diễn

19 August 2014

© H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM

7

Cấu trúc bộ điều khiển mờ
Bộ điều khiển mờ cơ bản
Hệ qui tắc
Tiền

Mờ

xử lý

hóa

Phương pháp

Giải

Hậu

mờ

xử lý

suy diễn



Bộ điều khiển mờ cơ bản:
 hệ qui tắc điều khiển rút ra từ kinh nghiệm chuyên gia
trong việc điều khiển đối tượng.
 khâu mờ hóa chuyển

ể giá trị rõ phản hồi
ồ từ ngõ ra của đối
ố
tượng thành giá trị mờ để hệ qui tắc có thể suy luận được
 khâu giải mờ chuyển giá trị mờ suy luận được ở ngõ ra
của hệ qui tắc thành giá trị rõ để điều khiển đối tượng
19 August 2014

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

8


Cấu trúc bộ điều khiển mờ
Bộ điều khiển mờ cơ bản
Hệ qui tắc
Tiền

Mờ

xử lý

hóa

Phương pháp

Giải

Hậu

mờ

xử lý

suy diễn



Tiền xử
Tiề
ử lý:
lý
 vi phân, tích phân tín hiệu
 chuẩn hóa, lượng tử hóa
 lọc nhiễu



Hậu
ậu xử
ử lý:
ý bộ khuếch
uếc đạ
đại c
chuyển
uyể tín hiệu
ệu g
giải
ả mờ
ờc

chuẩn
uẩ
hóa thành giá trị vật lý.

19 August 2014

© H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM

9


Thiết kế bộ điều khiển mờ
Thiết kế dựa
Thiế
d
vào
à kinh
ki h nghiệm
hiệ chuyên
h ê gia
i
 Thiết kế bộ điều khiển PID mờ
 Thiết kế dựa
d
t ê lý thuyết
trên
th ết Lyapunov
L


19 August 2014

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

10


Thiết kế bộ điều khiển mờ
dựa vào kinh nghiệm chuyên gia

19 August 2014

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

11


Thiết kế dựa vào kinh nghiệm chuyên gia









Bước 1: Xác định biến vào
vào, biến ra (và biến trạng thái
thái, nếu

cần) của đối tượng.
Bước 2: Chuẩn hóa biến vào, biến ra về miền giá trị [0,1] hay
[ 1 1]
[1,1]
Bước 3: Định nghĩa các giá trị ngôn ngữ cho biến vào và biến
ra;; định
ị lượng
ợ g các g
giá trịị ngôn
g ngữ
g bằng
g các tập
ập mờ.
Bước 4: Xây dựng hệ qui tắc mờ bằng cách vẽ hình minh họa
để có ý tưởng đưa ra một số qui tắc điển hình, sau đó áp dụng
tính liên tục của hệ mờ và tính đối xứng để đưa ra các qui tắc
còn lại.
Bước 5: Chọn PP suy diễn (MAX–MIN hay MAX–PROD)
B ớ 6:
Bước
6 Chọn
Ch PP giải
iải mờ
ờ (trọng
(t
tâ hay
tâm
h t/bình
t/bì h có
ó ttrọng số)

ố)
Bước 7: Mơ phỏng hoặc thực nghiệm đánh giá kết quả, tinh
chỉnh các thông
g số của BĐK để đạt chất lượng
g mong
g muốn.
19 August 2014

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

12


Thí dụ: Điều khiển mờ giữ cân bằng hệ con lắc ngược

 M : trọng lượng xe [Kg]
 m : trọng
ọ g lượng
ợ g con lắc [Kg]
[ g]
 l : chiều dài con lắc [m]
 u : lực tác động vào xe [N]
 g : gia tốc trọng trường [m/s2]
 x : vị trí xe [m]


: góc giữa con lắc và
phương
h
thẳ đứng

thẳng
đứ [rad]
[ d]

( M  m ) x  ml(sin  ) 2  ml(cos  )  u
mx cos   ml  mg sin 
19 August 2014

© H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM

13


Các biến vào và biến ra của bộ điều khiển
Chọn các biến vào/ra:
 4 biến vào: góc lệch của con lắc, vận tốc góc của
con lắc
lắc, vị trí xe và tốc độ xe
 biến ra là lực tác dụng vào xe.
 Tập cơ sở của các biến phụ thuộc chủ yếu vào đối
tượng, ta chọn như sau:
 Góc lệch: [[0
0.3,0.3]
3 0 3] (rad)
 Vận tốc góc: [1, 1] (rad/sec)
 Vị trí xe: [3,
[ 3 3] (m)
 Vận tốc xe: [3, 3] (m/sec)
 Lực tác dụng: [[40,
40 40] (N)



19 August 2014

© H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM

14


Các hệ số chuẩn hóa


Chuẩn
Ch
ẩ hóa
hó tậ
tập cơ sở
ở của
ủ các
á biế
biến vào/ra
à / về
ề miền
iề
[1, 1], do đó các ma trận hệ số khuếch đại của các
khối
ố tiền
ề xử lý và hậu xử lý như sau:
 Các

hệ số tiền xử lý:
1
1
1
, K 2  1, K 3  , K 4 
K1 
0.3
3
3

 Hệ

số hậu xử lý:
K 5  40

19 August 2014

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

15


Định nghĩa các giá trị ngôn ngữ cho các biến vào

ZE

NE


NE

PO

ZE

PO


1

0
Góc lệch

x
1

1


NE

ZE

0
Vị trí xe

1


NE

PO

ZE

PO


1

0
Vận tốc góc

19 August 2014

1

x
1

© H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM

0
Vận tốc xe

1

16

Định nghĩa các giá trị ngôn ngữ biến ra

NE NM NS

1 0.66 0.33

ZE PS PM

0

0.33 0.66

PB

1

u

Lực điều khiển xe



Chú ý:
ý Số lượng
l
giá
iá ttrịị ngôn
ô ngữ
ữ tùy
tù chọn,

h
thường
th ờ
là số lẽ đối với bài tốn điều khiển ổn định hóa hoặc
san bằng
ằ sai lệch

19 August 2014

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

17


Qui tắc điều khiển mờ được đưa ra dựa vào kinh nghiệm

19 August 2014

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

18


Qui tắc điều khiển mờ được đưa ra dựa vào kinh nghiệm

19 August 2014

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

19

Mô phỏng điều khiển mờ giữ cân bằng hệ con lắc ngược

19 August 2014

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

20